軟巖巷道錨注支護(hù)機(jī)理研究

陳素彬

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)呂梁公司，山西 太原 030053)

1 概 述

軟弱巷道圍巖的松動(dòng)范圍大、巖體強(qiáng)度低，在普通錨網(wǎng)噴索支護(hù)方案中，錨桿在掘進(jìn)期及掘進(jìn)影響早期，由于圍巖未充分破碎，錨桿起到組合加固作用。錨索保持良好的懸吊作用，到了掘進(jìn)影響中期、圍巖流變期，由于裂隙充分發(fā)育、變形進(jìn)一步增大，進(jìn)而超過錨桿的應(yīng)變、應(yīng)力協(xié)調(diào)范圍，錨桿的組合加固作用將進(jìn)一步減弱，錨桿形成的組合加固層的自承能力逐步降低。此時(shí)，錨索的懸吊荷載逐步增大，如果不采用適當(dāng)?shù)暮舐芳庸檀胧?，軟巖巷道將持續(xù)變形，造成斷面變形過大、噴層開裂、局部冒頂?shù)炔焕谙锏婪€(wěn)定的現(xiàn)象[1]。要保持巷道穩(wěn)定和滿足正常生產(chǎn)，必須采用合理可行的支護(hù)對(duì)策和支護(hù)方案，以適應(yīng)和改善各種圍巖特性，以取得技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的效果。

本文對(duì)錨注支護(hù)機(jī)理、錨注支護(hù)與圍巖耦合作用原理、錨注支護(hù)的應(yīng)力應(yīng)變作用做了深入分析。認(rèn)為錨注加固技術(shù)能保證巷道變形在控狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)良好加固效果，保持巷道總體穩(wěn)定。

2 注漿加固機(jī)理

注漿錨桿采用無縫鋼管冷拔或焊接而成，從錨注原理來看，既可起到錨固作用，又可作為注漿管進(jìn)行注漿，它將錨固和注漿結(jié)合在一起，用于軟弱破碎巖層[2-5]。

注漿加固在原有支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)在控松動(dòng)圍巖注漿，增強(qiáng)圍巖本身的完整性和自承能力，起到了柔性讓壓和剛性支護(hù)的作用，與原有支護(hù)結(jié)構(gòu)組成協(xié)調(diào)互補(bǔ)的耦合支護(hù)體系，使圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)形成的矛盾統(tǒng)一，系統(tǒng)保持整體穩(wěn)定。錨網(wǎng)噴索+錨注“三維協(xié)控耦合”支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維協(xié)控耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

加固機(jī)理主要有以下幾個(gè)方面[4]。

①注漿封堵裂隙，防止風(fēng)、水對(duì)圍巖自身強(qiáng)度的瓦解。②注漿將松散破碎圍巖膠結(jié)成整體，提高巖體自身強(qiáng)度，增強(qiáng)自承能力。③錨固作用能夠作為由于變形對(duì)前期錨桿組合功能損耗的補(bǔ)償，消除因錨桿組合層變形的延伸作用對(duì)錨索懸吊荷載及效果的不利影響。④注漿與噴層耦合，使荷載均勻分布。⑤錨注與原有支護(hù)結(jié)構(gòu)形成交叉疊加承載圈，使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)為矛盾統(tǒng)一體，共同保持巷道穩(wěn)定。

錨注加固施工須注意以下兩點(diǎn)。

①必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及圍巖物理力學(xué)特性，準(zhǔn)確把握圍巖變形過程，使其既形成裂隙又保持在控。需要恰當(dāng)把握注漿加固時(shí)間及其與迎頭的距離，在圍巖處于殘余應(yīng)力、應(yīng)變之前，實(shí)現(xiàn)在控錨注。②注漿參數(shù)要視具體情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整，做到填充已有裂隙，不產(chǎn)生新的有害裂隙。

3 錨注支護(hù)和圍巖共同作用分析

錨注支護(hù)的簡(jiǎn)化流程為：巷道成形→臨時(shí)支護(hù)→初噴→打錨桿→掛梁鋪網(wǎng)→全斷面錨桿質(zhì)量檢查→滯后迎頭20～30m或7d左右安裝錨索→復(fù)噴→滯后迎頭50～80m或15～20d左右注漿。

從支護(hù)時(shí)間來看，注漿支護(hù)要滯后巷道開掘50～80m或15～20d左右。當(dāng)圍巖變形處于塑性軟化段或塑性軟化段與殘余強(qiáng)度的臨界段較合理，具體時(shí)間要結(jié)合巷道圍巖變形實(shí)際。因?yàn)檫^早錨注，巷道處于掘進(jìn)影響期，圍巖裂隙處于發(fā)展階段，一方面注漿難，另一方面漿液強(qiáng)度較低時(shí)，會(huì)被繼續(xù)形成裂隙的較大應(yīng)力破壞；殘余強(qiáng)度之后錨注，圍巖殘余強(qiáng)度已大幅降低，變形量過大對(duì)前期支護(hù)已形成破壞，前期支護(hù)不能發(fā)揮應(yīng)有作用，后期錨注缺少前期支護(hù)必備的耦合結(jié)構(gòu)，不能形成協(xié)調(diào)在控耦合支護(hù)整體，對(duì)巷道整體穩(wěn)定不利。

3.1 在殘余應(yīng)力區(qū)錨注后的應(yīng)力應(yīng)變及位移的變化

3.2 錨注區(qū)的應(yīng)力和位移

3.2.1 應(yīng)力、位移計(jì)算

該區(qū)處于塑性區(qū)與殘余強(qiáng)度區(qū)之間，應(yīng)力和位移的表達(dá)式同殘余強(qiáng)度區(qū)的應(yīng)力和位移表達(dá)式，故先推倒殘余強(qiáng)度區(qū)的應(yīng)力和位移公式。

邊界條件

基本條件

假定殘余強(qiáng)度區(qū)體積變形為零，即

(1)

殘余強(qiáng)度區(qū)圍巖變形符合塑性力學(xué)理論，幾何方程、庫侖準(zhǔn)則極限方程和平衡微分方程如下：

(2)

(3)

(4)

式(4)代入式(1)，解得位移

(5)

將式(3)代入式(2)，應(yīng)力計(jì)算得

(6)

3.2.2 應(yīng)力、位移和錨注參數(shù)的關(guān)系

三維協(xié)控耦合支護(hù)技術(shù)中，后路錨注加固前后“三區(qū)”對(duì)比，如圖2所示。

圖2 錨注加固前后“三區(qū)”對(duì)比

4 結(jié) 論

通過以上分析，對(duì)軟巖巷道錨注支護(hù)機(jī)理研究得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)于軟巖巷道，單純提高支護(hù)強(qiáng)度和剛度不能從根本上解決問題，簡(jiǎn)單的聯(lián)合支護(hù)方式也不能取得預(yù)期效果，關(guān)鍵在于在適當(dāng)?shù)臅r(shí)空過程中改善圍巖特性。

(2)由于軟巖巷道具有長期流變性，巷道支護(hù)必須采用三維協(xié)控耦合理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，即首先采用必要的錨噴網(wǎng)，保證及時(shí)支護(hù)，保證巷道在可控狀態(tài)下的變形，在后路采用加固措施，以提高圍巖的自承能力，并阻止長期流變。

(3)錨注加固能從根本上改善圍巖力學(xué)特性，減小圍巖的變形，提高自承能力。而加固效果好壞的關(guān)鍵，是施工時(shí)間、空間與圍巖特性的耦合程度。

[1] 李明遠(yuǎn)，王連國，易恭猷，等．軟巖巷道理論與實(shí)踐[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2001.

[2] 王連國．錨注支護(hù)技術(shù)在砌碹巷道修復(fù)加固中的應(yīng)用[J]．礦業(yè)研究與開發(fā)，2000,20(3)：45-48.

[3] 陸士良，湯雷，楊新安．錨桿錨固力與錨固技術(shù)[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1998.

[4] 張農(nóng)．軟巖巷道滯后注漿圍巖控制研究[D]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，1999.

[5] 楊新安．軟巖巷道錨注支護(hù)機(jī)理與技術(shù)的研究[D]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，1995.